大型地下結(jié)構(gòu)抗浮樁設(shè)計

隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，促使城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用越來越來越多，地下結(jié)構(gòu)的抗浮問題日益突出。文章簡述了各種地下結(jié)構(gòu)的抗浮措施，重點(diǎn)研究了抗浮樁的受力機(jī)理、設(shè)計計算方法及適用范圍。1前言近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，促使城市建設(shè)的發(fā)展，高層及超高層建筑的涌現(xiàn)，基礎(chǔ)埋置越來越深，同時，作為車庫等功能的廣場式建筑的純地下室部分、裙房或相對獨(dú)立的地下結(jié)構(gòu)物(如下沉式廣場、地下車庫、地下鐵道等)的開發(fā)和利用越來越廣泛，由此，地下結(jié)構(gòu)物的抗浮問題日益突出。如何解決地下工程結(jié)構(gòu)物的抗浮問題目前已成為一個經(jīng)常面臨的問題。因地下水浮力作用或抗浮措施不當(dāng)而造成地下工程的破壞，在國內(nèi)已有不少的事例，如武漢果品公司舵落口地下冷庫、海軍航空兵上海市大場地下機(jī)庫、銀川及承德市的少數(shù)人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破壞。在我國沿海地區(qū)曾出現(xiàn)過多起因地下水浮力而導(dǎo)致地下室破壞的事故。在這些事故中，有的地下室底板隆起，導(dǎo)致底板破壞；有的地下建筑物整體浮起，導(dǎo)致梁柱結(jié)點(diǎn)處開裂及底板破壞等等。一般而言，地下室上浮的原因是結(jié)構(gòu)體重量及地下室側(cè)壁摩擦力之和小于水浮力所引起。上浮處理方法有抽水、解壓、加載及洗砂等方法配合運(yùn)用，其中以洗砂作業(yè)程序最復(fù)雜，常在其它方法處理失效后才使用。處理后，上浮的地下室很少能回沉至原高程，殘存的上浮量需借建筑收尾工程處理。由于地下室無法回沉至原高程，并且有些結(jié)構(gòu)在上浮時受到損壞，基礎(chǔ)底板下的空隙需另施做填縫灌漿填補(bǔ)之。地下室上浮的意外事件可能發(fā)生在各種地層中，包括透水性極低的軟件粘土層或極穩(wěn)定的卵石層中。低水位也不保證不會發(fā)生上浮，因地下水位可能因暴風(fēng)雨、地表逸流或施工不慎等因素突然升高，地下水浮力一旦超過結(jié)構(gòu)物重量及側(cè)壁摩擦力時則上浮隨之發(fā)生，建筑物將產(chǎn)生變形等破壞。不能保證正常使用中的安全，必須采取有效的處理措施。地下結(jié)構(gòu)物的抗浮問題成為影響結(jié)構(gòu)工程設(shè)計和工程投資效益的難題之一，并引起結(jié)構(gòu)工程師的重視和廣泛關(guān)注。在國內(nèi)外，關(guān)于抗浮設(shè)計這方面全面系統(tǒng)的研究和文獻(xiàn)資料并不多。結(jié)構(gòu)工程師們通常對此類情況感到十分的困惑，主要原因之一是有關(guān)的設(shè)計規(guī)范規(guī)程中未提出明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計依據(jù)在具體應(yīng)用時尚存在很多問題，引起很多的爭議。2抗浮方法當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的自身重量(如頂板有覆土，也包括在內(nèi))不能抵抗地下水浮力時，地下結(jié)構(gòu)物則產(chǎn)生上浮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形損壞，由此需進(jìn)行抗浮設(shè)計。工程抗浮設(shè)計包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算。通過整體抗浮驗算雖然可以保證地下結(jié)構(gòu)物不會整體上浮，但不一定能保證結(jié)構(gòu)物底板不開裂等變形現(xiàn)象，因此，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)物底板進(jìn)行局部抗浮驗算。在具體的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、地質(zhì)情況、場地條件和環(huán)境等因素(如基坑的支護(hù)形式、基坑深度、基坑底的土層條件等)，綜合考慮，因地制宜，選擇一個最佳有效的抗浮方案。2.1增加自重法增加自重法包括頂板壓載、基板加載及邊墻加載等方法增加地下結(jié)構(gòu)物自身重量(即恒載)，使其自身的重力始終大于地下水對結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的浮力，確保結(jié)構(gòu)物不上浮。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是施工及設(shè)計較簡單;缺點(diǎn)是當(dāng)結(jié)構(gòu)物需要抵抗浮力較大時，由于需大量增加混凝土或相關(guān)配重材料用量，故費(fèi)用增加較多。2.2摩擦抗浮法土壤與地下結(jié)構(gòu)物間存在摩擦力，這種力量也可以抵抗地下結(jié)構(gòu)物的上浮。該力的大小依土壤的側(cè)壓力及各土層的摩擦情況而定。但是這種側(cè)壓力的大小很難準(zhǔn)確確定，所以它的可靠度不高，如需采用，其設(shè)計的安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)提高，并且要在地下結(jié)構(gòu)物有相當(dāng)?shù)奈灰坪?，才能真正地起動這種摩擦力。若地下水位不時變動則這種位移也會變動。這種位移的數(shù)量及其隨水位變動的性質(zhì)，往往不能適用于某些地下結(jié)構(gòu)物，在實(shí)際工程中，對規(guī)模較大的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。2.3延伸基板法延伸基板法是將地下結(jié)構(gòu)物的基板向外延伸而形成翼板，由翼板承托覆土以抵抗上浮力。這種抗浮力可能有兩種：一種是垂直壓力和側(cè)翼壓力之和；另一種是為垂直壓力與土間摩擦力之和，要取這兩種力量中的較小者。但是，為了要延伸基板而成翼板，開挖的范圍將因而加寬，土方及使用土地面積也將因而加大，其所增加的抗浮力變大。此法一般適用于不受場地限制的規(guī)模較小地下結(jié)構(gòu)物的抗浮，否則，不宜采用。在實(shí)際工程中，對規(guī)模較大的地下結(jié)構(gòu)物的抗浮，很少采用此法作抗浮措施。2.4利用臨時擋土設(shè)施法一般來說，在基坑開挖時用以擋土的連續(xù)墻除在與地下結(jié)構(gòu)物接觸的部分外，大部的墻體在開挖區(qū)回填后就沒有任何利用價值了。若能妥善相連或直接與地下結(jié)構(gòu)物結(jié)合，即可利用擋土的連續(xù)墻來抵抗地下水浮力。此法除剪力鍵的安置費(fèi)，無其它額外費(fèi)用，并且可靠性很高。此外還可以將連續(xù)墻與土壤間的摩擦力計入考慮，其安全系數(shù)也將由此提高。采用此法得先驗算擋土連續(xù)墻的抗拔力等，并視該工程的擋土連續(xù)墻和地下結(jié)構(gòu)物外墻之間的間距等情況而定，如間距太大，則需澆筑大量的混凝土和不易安裝剪力鍵，由此增加造價和浪費(fèi)。此法一般適用于擋土連續(xù)墻的抗拔力足夠，且擋土連續(xù)墻和地下結(jié)構(gòu)物外墻之間的間距較小等條件的地下結(jié)構(gòu)物抗浮。2.5抗拔樁下拉法抗拔樁是指抵抗建筑物向上位移的各種樁型的總稱，抗拔樁不同于一般的基礎(chǔ)樁，有其自身的獨(dú)特性能，抗浮樁為抗拔樁，樁體承受拉力，樁體受力大小隨地下水位大變化而變化，二者在受力機(jī)理上不同。在工程實(shí)踐中常用的樁型有預(yù)制樁和灌注樁，抗浮樁多采用人工挖孔灌注樁或機(jī)械鉆孔灌注樁。3抗拔樁設(shè)計抗拔樁是抗浮設(shè)計中常用的方案之一，只要條件允許，抗拔樁一般均嵌入豎硬而埋藏較淺的基巖中。由于造價及施工條件的限制，抗拔樁一般入巖不深，需要對入巖樁段部分進(jìn)行樁端灌漿處理。如果上覆土層較厚，樁無法埋入基巖，那就只能全靠樁側(cè)土的表面摩擦阻力抗拔，此摩擦阻力較小，抗浮效果不佳；若在樁端設(shè)置擴(kuò)大頭，則能大大提高樁的抗拔能力。這對于抗拔樁的承載力設(shè)計而言，相對于受壓樁存在兩個突出的特點(diǎn)：3.1受壓樁的承載力組成中有端承力部分，而抗拔樁則無。3.2受壓樁的樁身彈性壓縮引起樁身側(cè)向膨脹使樁土界面的摩阻力趨向于增加，摩阻力的增加則隨樁身位移由上而下逐步發(fā)揮；而抗拔樁在拉伸荷載作用下樁身斷面有收縮的趨向，使樁土界面摩阻力減小。而由于拉伸荷載系作用于樁頂，摩阻力的發(fā)揮同樣系由上而下逐步發(fā)生。在設(shè)計抗拔樁時，在單位面積樁身摩阻力的選用上自然比受壓樁要低。其受力機(jī)理圖如圖1所示。圖1抗拔樁受力機(jī)理示意圖在抗浮設(shè)計時，當(dāng)采用抗拔樁作為抗浮措施時，除樁的布置及構(gòu)造應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范的要求外，有條件時可通過單樁抗拔承載力試驗，根據(jù)工程需要，按拔起量確定其單樁承載能力。當(dāng)未能進(jìn)行單樁的抗拔試驗時，須進(jìn)行抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算。3.2.1單樁或群樁呈非整體破壞時，樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：式中，——基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；——破壞表面周長，對于等直徑樁取，對于擴(kuò)底樁按規(guī)范取值；一一樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；一一抗拔系數(shù)；一一管樁第i層土(巖)的側(cè)阻力修正系數(shù)；一一樁穿越第i層土(巖)的厚度。3.2.2群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算：式中，一一樁群外圍周長。我國現(xiàn)行規(guī)范中所提供的抗拔計算公式是一個半理論半經(jīng)驗的公式，其中雖然考慮到了抗拔樁帶有擴(kuò)大頭的情況，但沒有考慮擴(kuò)大頭對上方土體作用而引起的樁周摩阻力的變化，也沒有考慮到樁周摩阻力變化的復(fù)雜性。4結(jié)論本文主要介紹和探討了地下結(jié)構(gòu)的基本方法，并針對抗拔樁，對其抗浮的基本原理和典型抗拔計算公式及設(shè)計方法進(jìn)行了比較全